Место фотоиндикации в системе экологического мониторинга урбанизированных территорий

Для наблюдений за состоянием окружающей среды существует многочисленный набор химических, физических, физико-химических, биологических, аналитических, информационно-математических и др. методов анализа. Выбор метода для определения качества параметров природных сред зависит от его чувствительности, информативности, возможности контролировать уровень загрязнения ниже предельно допустимого и т.д. Наиболее широко используемыми для эколого-токсикологической оценки степени воздействия разного рода загрязнений на живые организмы традиционно являются химико-аналитические методы, с помощью которых определяют количественные показатели наличия токсикантов, но отразить состояние экосистемы в целом такие методы не в состоянии. Тогда как методы биологического контроля, основанные на реакциях живых организмов, используемых в качестве аналитических индикаторов, позволяют получать оперативные и достаточно достоверные данные о состоянии окружающей среды. В качестве биоиндикаторов используют разные группы организмов, обитающих во всех геосферах — воде, почве, воздухе [1-4]. Главной особенностью использования биоиндикаторов для экологических исследований является то, что контролируются не показатели качества этих компонентов среды, а отклик биоты на её изменение, что характеризует биологический мониторинг как весьма перспективное направление для выявления экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на среду обитания.

Биоиндикация позволяет оценить комплексное воздействие различных факторов на живые организмы и экосистемы. В отличие от химического анализа, который фиксирует содержание отдельных загрязнителей, биоиндикация отражает суммарный биологический ответ с учётом синергизма и кумуляции загрязнителей. Кроме того, с помощью методов биоиндикации можно намного раньше по сравнению с химико-аналитическими методами обнаружить изменения в состоянии самих биоиндикаторов [5], что позволяет адекватно оценивать экологическую опасность загрязнений. Кроме того, существенным недостатком химико-аналитических методов является их высокая трудоёмкость, необходимость приобретения дорогостоящего высокоточного аналитического оборудования, тогда как методы биоиндикации часто менее затратны и проще в реализации, позволяют обеспечить непрерывный мониторинг на больших территориях. Также по результатам биоиндикации можно определить зоны с наибольшей нагрузкой загрязнений, что способствует эффективному планированию природоохранных мероприятий. Биоиндикация не заменяет, а дополняет традиционные методы, обеспечивая многогранную и более точную картину состояния окружающей среды.

Многоуровневая структура биологических систем обуславливает и различные реакции биоиндикаторов; отклонения могут проявляться на уровне физиолого-биохимических, анатомо-морфологических или поведенческих реакций организма, а также на уровне флористических, ценотических, биогеоценотических или ландшафтных изменениях сообществ [2, 6]. При выборе биоиндикатора необходимо учитывать его соответствие основным требованиям — высокая степень чувствительности, быстрота ответных реакций на воздействие поллютанта-загрязнителя, повсеместное присутствие в большом количестве и с однородными свойствами на исследуемой территории. Таким требованиям для мониторинга состояния окружающей среды, особенно на антропогенно измененных территориях, в большой степени отвечают растительные организмы, использование которых для выявления изменений природной среды началось во второй половине ХХ века с работ многих зарубежных (Bowen H.J., Cannon H.L. и др.) и советских учёных (Ковальского В.В., Перельмана А.И. и др.) [7].

Города — это наиболее сильно измененные человеком участки биосферы, которые характеризуются значительным своеобразием основных экологических факторов и весьма специфическими техногенными факторами. Большинство урбанизированных территорий имеют сложную архитектурно-планировочную застройку, повышенную промышленную и транспортную нагрузку. В городах ускоряются процессы обмена веществ и энергии, биологические компоненты изменяются в росте и развитии, чаще обновляются и отмирают, техногенные — динамично преобразовываются во времени. Техногенно обусловленное изменение микроклиматических параметров, состояния почвенного покрова и атмосферного воздуха достаточно остро сказывается на физиолого-биохимических и морфологических показателях растений, устойчивости их к фитопатогенам, продолжительности жизни, поэтому фитогеохимическая индикация является интегральной оценкой состояния городской среды [8, 9]. В качестве фитоиндикаторов могут выступать разные виды высших и низших растений или их сообщества. Но для городских условий универсальным чувствительным объектом, интегрирующим влияние всех вместе взятых экологических факторов, являются древесные растения [8].

Комплекс неблагоприятных антропогенных факторов в воздушной среде ощутимо воздействует на ассимиляционный аппарат растений и вызывает изменения содержания определенных биохимических соединений или показателей базовых биохимических процессов, например, концентрации хлорофилла [2]. Если человек и животное адаптированы к содержанию в воздухе ~ 21% (по объему) кислорода, то ассимиляционный аппарат растений приспособлен к значительно более низким концентрациям в атмосфере углекислого газа — порядка 0,03 % (по объему), и потому более чувствителен к вредным веществам в воздухе [6].

Из атмосферы растениями поглощается сравнительно мало химических элементов, большинство поступает в виде водных растворов через корни, на количество которых оказывает влияние ландшафтно-геохимические условия произрастания. Реакция растительных сообществ на каждый поллютант различна, но в целом носит угнетающий характер для всех зелёных насаждений. В растениях содержатся все химические элементы земной коры и их концентрации составляют не более 1 ■ 10-2 % [10]. Превышения концентраций токсичных химических элементов в растениях вызывают такие общие проявления их действия, как ингибирование фотосинтеза за счет уменьшения хлорофилла, закрытие устьиц, дефицит АТФ для регенерации акцептора углекислого газа, снижение активности ферментов, нарушение транспорта ассимилятов и минерального питания, изменение водного баланса и гормонального статуса организма. Эти изменения проявляются в первую очередь на физиолого-биохимическом уровне, затем распространяется на ультраструктурный и клеточный уровни, и лишь после этого развиваются видимые признаки повреждения — хлорозы и некрозы листа, ассиметрии листовой пластинки, опадения листьев, торможение роста и др. [11-15].

Нами была показана очевидная связь между содержанием фотосинтетических пигментов в ассимиляционном аппарате некоторых древесных пород, аэротехногенным и почвенным загрязнением мест их произрастания на примере г. Благовещенска (рис. 1) [16, 17].

Коллективом авторов [18] на примере городов Западной Сибири, в агломерациях которых расположены заводы по производству алюминия, в вегетативных органах тополя и на их поверхности выявлено наличие высоких концентраций фтора и F-содержащих частиц, и в эпидерме листовых пластин обнаружены патологии в виде хлоротических или некротических точечных пятен. А на территории городов с урановым производством на поверхности листьев тополей зафиксированы U-содержащие минеральные частицы [19]. По данным [8] фитогеохимический метод широко используется не только в ряде городов России (Москва, Кемерово, города Среднего Поволжья и др.), но и в Венгрии, Польше, Армении, Литве и др.

Наличие в почве токсичных веществ тоже пагубно сказывается на состоянии зеленых насаждений. Для характеристики почвенных условий, определения концентрации тяжелых металлов используют толерантные или индикаторные виды растений и их сообщества. Под воздействием токсикантов происходит ускоренное отмирание ветвей основной части кроны, снижение прироста, ослабление побегообразования, изменение габитуса у молодых деревьев, что является ответной реакцией на токсичность почвы. Мониторинговые исследования показателей почв на урбанизированных территориях опираются на методологические основы международных и межгосударственных стандартов [20], на основе результатов которых определяется комплексный показатель качества почвы.

В экологических исследованиях широкое распространение получили методы математической статистики: вычисление средних квадратических отклонений, дисперсии, коэффициентов вариации, распределений с помощью критериев Пирсона, Колмогорова, расчеты корреляции, корреляционных отношений, различных видов регрессий, дисперсионный и дискриминантный анализы, факторный анализ, метод главных компонент и др. методы, на основе которых выполняют математическое моделирование процессов и явлений в экологических системах [9]. Результаты биоиндикационных исследований — не исключение и обычно хорошо поддаются математической обработке. С помощью линейного и нелинейного дискриминантного анализа для каждого временного интервала можно выявить достаточно надежные биоиндикационные признаки для системы контроля среды.

С использованием комплексного подхода — биоиндикации и методов математической статистики авторами [21] выявлены сопряженные аномальные бромные биогеохимические области (Кулундинская и Северо-Казахстанская) природно-техногенного генезиса и закартированы локальные биогеохимические аномалии Br на территориях, находящихся в зоне воздействия крупных теплоэлектростанций, вблизи транспортных узлов — автомобильного, железнодорожного и авиационного. Сочетание разных подходов в оценке качества окружающей среды достаточно эффективно и позволяет дать наиболее полную характеристику экологического состояния урбанизированной территории. При этом состояние экосистемы достаточно надежно можно оценить по результатам биоиндикации, а оценка физико-химических параметров каждой из составляющих экосистемы помогает понять, какие из антропогенных факторов значительнее ухудшают компоненты окружающей среды и как именно это происходит [22, 23].

Таким образом, в системе экологического мониторинга урбанизированных территорий методы фитоиндикации качества водной, воздушной и наземной сред являются специфичными, достаточно информативными и потому — востребованными. Они дают возможность получения ранней диагностики, а также динамики экологических изменений в урбанизированных зонах; оценки биодоступности и биотоксичности многих синтезируемых человеком соединений; (3) интегральной оценки экологического состояния окружающей среды за счёт суммарного воздействия многочисленных загрязнителей, их взаимовлияния и кумулятивных эффектов; (4) способствуют локализации источников загрязнений и зонированию территорий по уровню антропогенного воздействия; (5) более экономичны и практичны в использовании, (6) существенно дополняют методы химического и физического мониторинга, (7) помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы.

Благодарность: Исследование выполнено по государственному заданию ИГиП ДВО РАН (тема № 122041800128-5).

Литература
В.Д. Туровцев, В.С. Краснов // Тверь: ТГУ, 260 (2004).
О.П. Мелехова, Е.И. Егорова, Т.И. Евсеева и др. // М.: Академия, 288 (2007).
О.А. Неверова, Н.И. Еремеева Н.И. // Новосибирск, 265 (2006).
Н.И. Хотько, А.П. Дмитриев // Саратов: ГосНИИЭНП, 184 (2015).

Ю.В. Кладько, Л.Н. Скрипалыцикова // Сибирский лесной журнал, № 6, 27-38 (2019).
Р.В. Кайгородов // Пермь: ПГУ, 151 (2010).
Е.В. Черненькая // Дисс. На соиск. Уч. Степ.. ..к.г.-мн.н., 262 (2016).
М.Д. Уфимцева, Н.В. Терехина, С.А. Банарь // Вестник СПбГУ, Сер. 7, В. 4, 121-129 (2008).
Н.Н. Гусарова, Ю.М. Мохонько // Саратов, 134 (2014).

В.А. Алексеенко // М.: Логос, 627 (2000).
С.С. Мальхотра, А.А. Хан // М.: Гидрометиздат, 44-189 (1988).
М.В. Ларионов // Вестник КрасГАУ, № 11, 88-92 (2012).
М.Ю. Куприянова, И.И. Семенова // Вестник ЧГПУ им. И.Я. Яковлева, № 4(84), 74-78 (2014).
Е.Ю. Иванова // Вестник ВГУ Сер. География. Геоэкология. № 1, 157-162 (2013).
М.А. Клевцова, Т.Л.А. Фан // Вестник ВГУ. Сер. География. Геоэкология, № 3, 79-86 (2016).
Л.М. Павлова, И.М. Котельникова, Н.Г. Куимова и др. // Вестник РУДН. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности, № 2, 11-19 (2010).
Л.М. Павлова, И.М. Котельникова, В.И. Радомская // Сб. Вопросы геологии и комплексного освоения природных ресурсов Восточной
Азии, 226-229, (2012).
D.V. Yusupov, L.A. Dorokhova, S.S.Ilenok et al. // Water, Air, & Soil Pollution, V. 232(9), (2021)
Л.А. Дорохова, Л.М. Павлова, Д.В. Юсупов // Сб. X Информац. школа молодого ученого, 424-433 (2022).
Г.С. Фомин, А.Г. Фомин // М.: Протектор, 304 (2001).
Д.В. Юсупов, Л.П. Рихванов, Н.В. Барановская и др. // Известия ТПУ Инжиниринг георесурсов. Т. 332(1), 76-87 (2021).
Л.М. Павлова, В.И. Радомская, Л.П. Шумилова // Изв. СамНЦ РАН, Т. 18(2-2), 467-471 (2016).
С.П. Рысин // Научные ведомости. Сер. Естеств. Науки, Т. 9 (104), 290-295 (2011).

Автор: Павлова Л.М. ФБГУН ИГиП ДВО РАН, г. Благовещенск